Brúsenie koľajníc je proces odstraňovania materiálu rotujúcimi brúsnymi kotúčmi. Počet najazdených kilometrov pri brúsení je pomerne dlhý, použitie reznej kvapaliny nielenže zvýši náklady na údržbu, ale spôsobí aj rozsiahle znečistenie. Bez chladenia a mazania sa teplo vznikajúce v procese brúsenia nemôže včas uvoľniť, takže po brúsení koľajníc sú často pozorované popáleniny koľajníc v dôsledku suchých podmienok, vysokej rýchlosti otáčania brúsnych kotúčov (~3600 ot./min.) a zaťaženia pri brúsení (~2000 N) [1-4], ako je uvedené na obr. Na ďalšie zlepšenie účinnosti brúsenia a získanie dobrej celistvosti povrchu je navrhovanie a výroba pórov v brúsnych kotúčoch ekonomickým a efektívnym spôsobom [5].
Obr.1.Brúsenie spôsobilo popáleniny a biele leptané vrstvy na hlave koľajnice.
Čínski vedci pripravili porézne brúsne kotúče a charakterizovali ich brúsny výkon na samostatne navrhnutej súprave [5]. Možno si všimnúť, že po vytvorení pórov v brúsnych kotúčoch sa maximálna pevnosť v tlaku znížila o 35 % z 83,74 MPa na 54,53 MPa. Výsledky brúsnych experimentov ukázali, že so zvýšením pórovitosti brúsnych kotúčov sa mierne zlepšil objem brúsenia, znížila sa teplota brúsenia a znížilo sa zaťaženie kotúča. Výsledky naznačujú, že brúsny kotúč s vyššou pórovitosťou má lepšiu schopnosť samoorovnávania, čo prospieva, aby sa zabránilo zaťaženiu kotúča.
Obr.Morfológia povrchu brúsnych kotúčov pred a po teste s rôznou pórovitosťou: 8,12 % (a) & (e), 15,81 % (b) & (f), 18,60 % (c) & (g) a 21,18 % (d) & (h).
Tvrdá a krehká biela leptaná vrstva bola pozorovaná na všetkých brúsených hlavách koľajníc v dôsledku brúsneho tepla a najhrubšie WEL boli dané najnižšou pórovitosťou brúsnych kotúčov, ako je uvedené na obr.3 a obr.4. Pod WEL je deformovaná perlitová vrstva vytvorená deformáciou pri šmykovom namáhaní abrazívnych zŕn. Tvrdosť WEL je 5,77 GPa, asi 2 až 3 krát tvrdšia ako matrica perlitu. Mnohí vedci dospeli k záveru, že WEL má úzky vzťah s lomom koľajníc [6-8]. V dôsledku zmiešaného ťahového a šmykového namáhania kolies počas prevádzky koľajníc sa na povrchu môžu objaviť trhliny. Vytvorená trhlina by sa rýchlo šírila cez vrstvu WEL kvôli jej krehkej povahe, šírila by sa na rozhraní WEL a perlitu alebo by sa dokonca šírila dole do perlitovej matrice a vytvárala by vážnejšie defekty koľajníc[9]. Tvrdé a krehké by teda spôsobili predčasné zlyhanie brúsenej koľajnice a môžu byť účinne kontrolované pórovitosťou brúsnych kotúčov.
Obr.Tvrdosť WEL a deformovanej vrstvy.
Obr.OM prierezov koľajnice brúsenej rôznou pórovitosťou brúsnych kotúčov: 8,12 % (a), 15,81 % (b), 18,60 % (c) a 21,18 % (d).
Brúsny mechanizmus brúsneho kotúča s pórovitou štruktúrou je znázornený na obr. 5. V dôsledku vysokého negatívneho uhla čela a relatívne vysokej hustoty aktívneho zrna sa brúsne triesky pri tak vysokej teplote najskôr roztavia a následne sa zaseknú na povrchu kotúča, čím sa zhorší brúsna schopnosť brúsneho kotúča a zvýši sa brúsne teplo. Porézny brúsny kotúč má lepšiu samoorovnávaciu schopnosť a prispieva k miernejšiemu poškodeniu povrchu koľajníc[8]. Na jednej strane pórovité štruktúry zväčšujú priestor medzi brúsnymi zrnami, ktoré poskytujú dostatočný priestor na ukladanie triesok a uvoľňovanie tepla. Triesky sa môžu v póroch zvinúť a eliminovať následnou interakciou abrazív a môžu tiež prenášať časť tepla z kontaktnej zóny. Na druhej strane, namáhanie a výška výčnelku pre každú aktívnu zrnitosť sú väčšie ako pri bežnom brúsnom kotúči, čo zvyšuje hrúbku neorezaných triesok a znižuje trecí efekt medzi brúsnym zrnom a povrchom koľajnice, aby sa znížila predúnava spôsobená brúsením koľajníc, ako bolo uvedené. Preto má brúsny kotúč s pórovitou štruktúrou v závislosti od vynikajúceho brúsneho výkonu, respektíve menšieho poškodenia povrchu koľajnice veľký potenciál na uplatnenie v technológii brúsenia koľajníc pri vysokej rýchlosti a podmienkach brúsenia za sucha.
Obr.Brúsny mechanizmus brúsneho kotúča s pórovitou štruktúrou.
Referencie
[1] Zhang W, Zhang P, Zhang J, Fan X, Zhu M. Skúmanie vplyvu veľkosti brúsneho zrna na správanie pri brúsení koľajníc. J Manuf Process 2020;53:388–95.
[2] Lin B, Zhou K, Guo J, Liu QY, Wang WJ. Vplyv parametrov brúsenia na povrchovú teplotu a horenie brúsnej koľajnice. Tribol Int 2018;122:151–62.
[3] Zhou K, Ding HH, Wang WJ, Wang RX, Guo J, Liu QY. Vplyv brúsneho tlaku na odoberacie správanie koľajnicového materiálu. Tribol Int 2019;134:417–26.
[4] Tawakoli T, Westkaemper E, Rabiey M. Suché brúsenie špeciálnou úpravou. Int J Adv Manuf Technol 2007;33:419–24.
[5] Yuan Y, Zhang W, Zhang P, Fan X, Zhu M. Porézne brúsne kotúče na zmiernenie predúnavy a zvýšenie účinnosti odstraňovania materiálu pri brúsení koľajníc. Tribol Int 2021; 154: 106692.
[6] Magel E, Roney M, Kalousek J, Sroba P. Prelínanie teórie a praxe v modernom brúsení koľajníc. Fatigue Fract Eng Mater Struct 2003;26:921–9.
[7] Cuervo PA, Santa JF, Toro A. Korelácie medzi mechanizmami opotrebovania a operáciami brúsenia koľajníc v komerčnej železnici. Tribol Int 2015;82:265–73.
[8] Agarwal S. O mechanizme a mechanike zaťaženia kotúča pri brúsení. J Manuf Process 2019;41:36–47.
[9] Zhang ZY, Shang W, Ding HH, Guo J, Wang HY, Liu QY a kol. Tepelný model a teplotné pole v procese brúsenia koľajníc na základe pohybujúceho sa zdroja tepla. Appl Therm Eng 2016;106:855–64.
